（巖土工程專業(yè)論文）凍融環(huán)境下單樁的沉降特性研究.pdf

論文題目：凍融環(huán)境下單樁的沉降特性研究 專業(yè)：巖土工程 碩士生：范建兵 指導教師：楊更社 摘要 ( 簽名) ( 簽名)確爭軒 隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和青藏鐵路的修建，樁基礎在寒區(qū)凍土工程中的應用越 來越多。寒區(qū)樁基的沉降是樁基設計的重要方面，其沉降特性一直是眾多學者的研究熱 點。本文在國內外學者研究的基礎上，采用理論研究和數(shù)值模擬相結合的方法對寒區(qū)的 單樁沉降特性進行了研究。 在分析單樁的載荷傳遞機理、單樁的破壞模式的基礎上，重點探討了單樁沉降的載 荷傳遞法和剪切變形法?？紤]到土的成層性和樁周摩阻力的變化，對庫克剪切變形法進 行了探討，使之更符合實際情況。根據(jù)凍土的力學特性，為更好地反映樁與土之間共同 作用的實際情況，分別建立季節(jié)性凍土區(qū)和永久性凍土區(qū)不同的單樁沉降力學模型，并 由此給出季節(jié)性凍土區(qū)和永久性凍土區(qū)單樁沉降的計算方法，進行了算例分析。運用大 型有限元軟件a n s y s 進行了數(shù)值模擬，樁與土之間使用了接觸面單元，并與本文的理論 計算方法得出的結果進行了對比分析。結果表明兩者計算出的樁頂沉降隨融深變化的趨 勢基本一致，驗證了本文理論計算方法的合理性，為實際工程的設計施工提供參考。 關鍵詞：凍土；凍融；沉降：數(shù)值模擬 研究類型：應用研究 s u b j e c t ：as t u d yo fs u b s i d e n c ec h a r a c t e r i s t i c s o fs i n g l ep i l eu n d e r f r e e z i n g - t h a w i n gc y c l ec o n d i t i o n s s p e c i a l t y ：g e o t e e h n i e a le n g i n e e r i n g n a m e：f a nj i a n b i n g i n s t r u c t o r ：y a n gg e n g s h e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew e s to fc h i n aa n dt h ec o n s t r u c t i o no fq i n g z a n gr a i l w a y , p i l ef o u n d a t i o n sa l ea p p l i e de x t e n s i v e l yi nf r o z e ns o i le n g i n e e r i n gi nc o d er e g i o n t h e s u b s i d e n c eo fp i l ef o u n d a t i o n si st h em a i na n di m p o r t a n ta s p e c ti np i l ef o u n d a t i o nd e s i g na n d i t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l w a y sm a n ys c h o l a r s h o t s p o t t h es u b s i d e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e p i l ei nc o l dr e g i o na r es t u d i e da n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n 、析t l lt h em e t h o do ft h e o r y s t u d y a n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，b a s e d o nt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g ns c h o l a r s s t u d y a c h i e v e m e n t si nt h i sf i e l d o nt h eb a s i so fl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s ma n dd e s t r u c t i o np a t t e m so fs i n g l ep i l e ，l o a d t r a n s f e rm e t h o da n ds h e a r i n gd e f o r m a t i o nm e t h o df o rs u b s i d e n c ec o m p u t i n go f s i n g l ep i l ea r e m a i n l yd i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h el a y e ro fs o i lm a s sa n dt h ec h a n g eo fb o d yf r i c t i o nf o r c eo f s i n g l ep i l e ，c o o k e ss h e a r i n gd e f o r m a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e da n di sm a d et ob et a l l y 誠mt h e a c t u a l s i t u a t i o n a c c o r d i n gt o i t sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t of u r t h e rs h o wt h ea c t u a l s i t u a t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e n p i l ea n d s o i lm a s s ，d i f f e r e n t s i n g l ep i l e s u b s i d e n c e c o m p u t a t i o nm o d e l sa r eb u i l ti ns e a s o n a lf r o z e nz o n ea n dp e r m a f r o s tz o n e ac o m p u t i n g e x a m p l ei sg i v e na n da n a l y z e d i nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ff e m s o f t w a r ea n s y s ，c o n t a c t s u r f a c ee l e m e n ti su s e d i t sc o m p u t a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d 、析t 1 1t h er e s u l t s u s e dt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o do ft h i st h e s i s i ts h o w st h a tt h et e n d e n c i e so ft o p s u b s i d e n c eo fp i l ea l o n gw i t ht h ec h a n g eo ft h a w i n gd e p t ha r em a i n l yc o n s i s t e n ti nt h e s et w o r e s u l t sa n dp r o v e st h er a t i o n a l i t yo ft h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o do ft h i st h e s i s s o ，i t p r o v i d e sr e f e r e n c ei nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fp i l ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：f r o z e ns o i l f r e e z i n g - t h a w i n g s u b s i d e n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技夫擎 學位論文獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及 其取得研究成果。盡我所知，除了文中加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人或集體已經公開發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得西安科技大學 或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：；，m 侈- j l 六日期：力多旁# 日日 學位論文知識產權聲明書 本人完全了解學校有關保護知識產權的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間 論文工作的知識產權單位屬于西安科技大學。學校有權保留并向國家有關部門或 機構送交論文的復印件和電子版。本人允許論文被查閱和借閱。學?？梢詫⒈緦W 位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復制手段保存和匯編本學位論文。同時本人保證，畢業(yè)后結合學位論文研究課 題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學。 保密論文待解密后適用本聲明。 學位論文作者簽名：囊辨 指導教師簽名：彳桶撕 沙o6 年參月2 日 1 緒論 1 緒論 1 1 論文選題背景和研究意義 我國幅員遼闊且是世界多年凍土分布面積的第三大國，其中多年凍土區(qū)面積達 2 1 5 x 1 0 6 k m 2 ，占國土面積的2 2 3 ，如果包括季節(jié)凍土在內，我國凍土面積約占國土面 積的7 5 ，北方各省和西部的青藏高原均屬于永久性凍土區(qū)或季節(jié)性凍土區(qū)。多年凍土 主要分布在大小興安嶺、青藏高原和西部高山地區(qū)。而其中青藏高原的多年凍土分布面 積占我國多年凍土面積的7 0 ，為中低緯地帶海拔最高、面積最大的多年凍土區(qū)。 隨著我國西部大開發(fā)的推進，西部工程建設和資源的開發(fā)利用在我國的國民經濟建 設中占有相當重要的地位。西部開發(fā)中所涉及到的各類工程非常廣泛，其中包括水利 水電工程、道路建設工程、工業(yè)和民用建筑工程及采礦工程等，修建青藏鐵路就是其中 之一。 西藏自治區(qū)地處祖國西南邊陲的青藏高原，面積1 2 2 萬k m 2 ，平均海拔4 0 0 0 m 以上。 西藏自治區(qū)是目前我國唯一不通鐵路的省級行政區(qū)，進出西藏主要依靠公路和航空運 輸。交通運輸設施的落后，已經嚴重制約了這一地區(qū)經濟、社會的發(fā)展，使之成為我國 主要的貧困地區(qū)之一。修建青藏鐵路不僅是全國各族人民、青藏地區(qū)人民多年的夢想和 新中國老一輩領導人和幾代建設者的夙愿，同時也是克服目前的交通“瓶頸”，加快青 海、西藏兩省區(qū)經濟發(fā)展，促進西部大開發(fā)的客觀需要。 青藏鐵路由青海省西寧市至西藏自治區(qū)拉薩市，全長1 9 5 6 k m 。其中，西寧至格爾 木段長8 1 4 k m ，1 9 7 9 年建成鋪通，1 9 8 4 年投入運營。格爾木至拉薩段，全長1 1 4 2 k m 。 在青藏高原這種原始、獨特、脆弱、敏感的地理生態(tài)環(huán)境中修建的青藏鐵路是世界上海 拔最高、線路最長的高原鐵路，翻越唐古拉山的鐵路最高點海拔5 0 7 2 m ，經過海拔4 0 0 0 m 以上地段9 6 0 k m ，其中多年凍土地段約6 0 0 k m ，連續(xù)多年凍土區(qū)5 5 0 k m 以上。 “凍土 問題是青藏鐵路修建的兩大關鍵問題之一，青藏鐵路穿越了廣大的凍土地 區(qū)。凍土作為一個極為重要的關鍵因素，對工程的影響必須進行深入的研究，以此來保 證青藏鐵路工程的順利實施和正常運營。 凍土是一種對溫度十分敏感且物理力學性質極不穩(wěn)定的土體，由于凍土中冰的存在 決定了寒區(qū)工程建設獨有的特點。人類的工程活動或多或少地破壞了土層中的水熱平 衡，從而促進了土中冰的生長或消融，加大土體的凍結和融化深度，如不采取與一般條 件不同的特殊措施和方法，則既可能引起多年凍土區(qū)工程建筑物運行遭受凍害威脅，也 可能造成嚴重的經濟浪費。由于凍害( 凍脹、融沉等) 的經常發(fā)生，造成寒區(qū)工程的 大規(guī)模破壞或不能正常運營，給國家造成了巨大的經濟損失。同時地處寒區(qū)的各類已建、 西安科技大學碩士學位論文 在建、擬建工程，如房建工程、鐵路工程、公路工程、水利工程、礦山工程、林業(yè)工程 等占全國工程總量的比重相當大，因此研究寒區(qū)凍融對工程的影響具有很大的實際意 義。 凍融，是指巖土的凍脹和融沉及其綜合作用。在自然界中，尤其是在我國的西部， 由于季節(jié)更替，晝夜循環(huán)，會產生正負的溫度差異，會對巖土體，尤其是強度較低含水 率較高的巖土體力學性質產生重要的影響。在負溫條件下，土中的水凍結成冰，而在正 溫條件下，土中的冰化成水。隨著溫度的變化，土中水常常由一種物理狀態(tài)變成另一種 物理狀態(tài)，在這一變化過程中，土體就會出現(xiàn)凍脹和融沉現(xiàn)象。土的凍脹主要是因為土 中原含水分和遷移而來的水分結晶，體積膨脹，引起凍土體積增大，結果在土層中產生 凍脹力，導致地表出現(xiàn)變形。土的融沉是凍土中冰融化變成水，體積縮小，導致土體內 出現(xiàn)的固結沉降。同時在連續(xù)凍融循環(huán)條件下，凍融會對土的結構性產生影響，從而影 響其力學性質。凍脹、融沉及連續(xù)凍融對巖土體的影響是我國西部巖土工程中所必須考 慮的因素。凍脹和融沉常造成建筑物基礎被破壞，地面下沉，房屋開裂，道路路基變形， 影響交通運輸。同樣修建青藏鐵路的過程中同樣會遇到這類問題。 為解決上述問題，青藏鐵路格爾木至拉薩段設有多座以橋代路特大橋，沿線方向依 次為不凍泉、巴拉大才曲、清水河、楚馬爾河、可可西里、秀北、冬南、雅瑪爾河、夏 北、夏南特大橋等。綜合來看，青藏鐵路以橋代路區(qū)段均位于連續(xù)多年凍土地帶，大部 分屬高溫極不穩(wěn)定多年凍土區(qū)，凍土地溫一般在o 2 左右。沿線地勢開闊，地形平坦， 植被稀疏。橋址范圍內主要地層上部多為第四系全新統(tǒng)洪積粘性土、砂類土、圓礫石、 卵石( 碎石) 類土，下伏巖層多為泥巖、泥灰?guī)r，局部地層中分布含土冰層。不良地質現(xiàn) 象主要表現(xiàn)為上限以下地層大多為多冰、富冰、飽冰凍土及含土冰層，而且含土冰層厚 度大、埋深淺、分布范圍廣，下伏的泥灰?guī)r承載力低。在凍土區(qū)非河流地段，凍土的溫 度和水分特征( 高溫和高含冰量凍土地段) 決定了如果采取路基通過，現(xiàn)有路基結構形 式在熱傳導特性上還沒有絕對的把握以保證凍土的熱穩(wěn)定性和路基的穩(wěn)定性，而如果采 取合適的樁基類型的橋梁通過該類地段，則在技術上有更大的可靠性。 目前青藏鐵路這樣的凍土橋梁設計己增加到1 5 6 7 k m ，其代表性工程是其中位于海 拔4 7 6 8 m 昆侖山南麓可可西里的清水河特大橋，全長1 1 7 0 3 6 2 m 。由于清水河地區(qū)屬于 多年凍土區(qū)，為解決凍土凍脹和融沉帶來的危害問題，保證鐵路路基的穩(wěn)定性，此段路 基采取了“以橋代路的形式?？煽晌骼镒匀槐Ｗo區(qū)是藏羚羊、藏野驢等國家珍稀野生 動物頻繁遷徙的地區(qū)，因此該橋的修建保證了野生動物可以自由遷徙。 此外，在這些“以橋代路”工程中，還有西藏境內第一長橋、青藏鐵路第二長橋， 全長3 31 8 8 8 m 的頭二九特大橋；藏北草原第一長橋全長1 9 5 0 8 8 m 的那曲特大橋； 穿過藏北明珠當雄縣廣闊沼澤濕地全長1 6 4 5 m 的當雄特大橋；海拔最高( 最高5 0 6 1m ) 全長7 3 1 0 9m 的唐古拉雪水河特大橋以及西藏境內跨凍土濕地在1 8 坡道上而建的全 2 1 緒論 長4 6 9 m 巴嘎榨大橋等。 根據(jù)凍土的觀察數(shù)據(jù)以及考慮到全球變暖趨勢的影響，設計部門已經將部分凍土地 段的鐵路優(yōu)化設計并“以橋代路”，確保凍土區(qū)工程的穩(wěn)定性?！耙詷虼贰惫こ虖脑O 計的7 0 多k m 增加到1 5 6 7 k m ，其中凍土區(qū)“以橋代路 橋梁長達1 2 3 3 k m ，多年凍土 區(qū)線路近四分之一部分采取“以橋代路”通過。全線共建設大中型橋梁3 1 7 座，沿線的 一座座橋梁形成了雪域高原上一條亮麗的風景線。 由于凍土自身的特點，“以橋代路”工程中的橋梁廣泛使用樁基礎，使得樁的使用 量非常大，其中那曲特大橋用樁2 4 4 根，西藏境內的當雄特大橋所用鉆孔灌注樁3 9 6 根，第一長橋清水河大橋用樁2 8 7 8 根。同時由于凍土自身的特點，寒區(qū)的其它建筑物 也使用樁基礎。鑒于寒區(qū)凍土凍融循環(huán)變化以及其對建筑物造成的嚴重破壞，因此有必 要對寒區(qū)凍融環(huán)境下的單樁沉降特性進行研究，且長期以來凍融環(huán)境下的樁基沉降研究 就是寒區(qū)樁基工程研究中的重點和難點，因此有必要進行系統(tǒng)深入的研究。 1 2 本論文的國內外研究現(xiàn)狀 1 2 1 樁基礎的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 ( 1 ) 樁基礎的由來和發(fā)展 樁基礎是人類在軟弱地基上建造建筑物的一種創(chuàng)造，是最古老、最基本的一種基礎 類型。最早使用的是木樁，其使用源遠流長。 1 9 8 1 年1 月，美國肯塔基大學的考古學家，在太平洋東南岸智利的蒙特維爾德附近 的森林里發(fā)現(xiàn)一間支撐于木樁的木屋。放射性碳6 0 檢測結果表明，該樁距今至少已有 1 2 0 0 0 - - 1 4 0 0 0 年歷史，是目前發(fā)現(xiàn)的最早使用的樁【l j 。 我國的考古學家于1 9 7 3 - 1 9 7 8 年間，在浙江省余姚市河姆渡村發(fā)掘新石器時代文 化遺址時，出土了占地約4 萬m 2 的大量木結構遺址，其中有木樁數(shù)百根，其中圓樁直 約6 0 m m 1 8 0 m m 不等，方樁截面約6 0 m m l o o m m - - - 1 5 0 m m 1 8 0 m m 不等，板樁 厚度約1 4 m m - - 4 0 m m ，厚度約l o o m m - - 5 0 0 m m 不等。經測定，該處淺層和深層文化層 大約距今6 0 0 0 - 7 0 0 0 年，這是全球迄今發(fā)現(xiàn)的規(guī)模最大的木樁遺址。表明人類早在新 石器時代就設法以石器砍削成形的圓形、方形和板狀木樁，在湖泊和沼澤地里成行排列 搭臺作為水上住所，為的是不占耕地、防止敵人侵犯和猛獸襲擊【2 】。 我國漢朝已用木樁修橋。到了宋朝，樁基技術己比較成熟。我國古代許多建造于軟 弱地基上的重型、高聳建筑物以及歷史名橋都是成功地運用了樁基礎，才經受住無數(shù)次 地震破壞和海浪沖擊而不失當年雄姿。今上海市的龍華塔和山西太原的晉祠圣母殿，都 是現(xiàn)存的北宋年代修建的樁基建筑物。至今在英國也保存有一些羅馬時代修建的以木樁 為基礎的建筑。直至2 0 世紀初，在上海建造的國際飯店、錦江飯店等2 0 層左右的標志 西安科技大學碩士學位論文 性建筑物還都采用了1 0 多米長的木樁【l 】。 人類應用木樁經歷了漫長的歷史時期。到1 9 世紀2 0 年代，開始使用鑄鐵樁修筑圍 堰和碼頭。直到1 9 世紀后期，鋼、水泥、混凝土和鋼筋混凝土相繼問世，它們先后被 用于橋梁、房屋等的各種上部結構，接著均被成功用作制樁材料。2 0 世紀初，美國出現(xiàn) 了各種型式的型鋼，特別是h 型的鋼樁受到營造商的重視。美國密西西比河上的鋼橋大 量采用鋼樁基礎，3 0 年代開始在歐洲也被廣泛采用。二次大戰(zhàn)后，隨著冶煉技術的發(fā)展， 各種直徑的鋼管樁陸續(xù)應用于基礎工程。上海寶鋼在工程中曾使用直徑為9 0 e m ，長度 為6 0 m 的鋼樁基礎。到2 0 世紀末，上海建造的如8 8 層金茂大廈等超高層建筑，已經采 用了8 0 多米長的鋼管樁【3 1 。 以混凝土或鋼筋混凝土為材料的另一種類型的樁，是就地灌注混凝土樁。本世紀2 0 年代到3 0 年代已出現(xiàn)沉管灌注混凝土樁。上海在上世紀3 0 年代修建的一些高層建筑的 基礎，就曾采用沉管灌注混凝土樁。到了5 0 年代，隨著大型鉆孔機械的發(fā)展，出現(xiàn)了 鉆孔灌注混凝土樁或鋼筋混凝土樁。 從成樁工藝的發(fā)展過程看，最早使用的樁基施工方法是打入法。打入的工藝從手錘 到自由落錘，然后發(fā)展到蒸汽驅動、柴油驅動和壓縮空氣為動力的各種打樁機。此外還 發(fā)展了電動的震動打樁機和靜力壓樁機 4 1 。 總之，在近代由于新材料和先進施工機械的出現(xiàn)，為樁基礎的飛躍發(fā)展創(chuàng)造了條件。 今天它已成為高層建筑、大橋、碼頭和石油海洋平臺等最常用的基礎形式。在施工技術 進步、樁型開發(fā)應用和設計理論研究等方面至今仍然異?；钴S，顯示出樁基礎強大的生 命力和廣闊的發(fā)展前景。 ( 2 ) 單樁承載力的確定 樁基承載力的分析和確定被認為是樁基設計最困難的問題之一。為解決這一問題， 人們做了大量的理論研究、室內模擬試驗和現(xiàn)場試驗，提出了許多計算和確定承載力的 方法。不過，可以說迄今為止尚未找到求解樁基承載力問題的較為完善的方法。盡管已 研究和提出的方法其數(shù)量是龐大的，途徑是多樣的，但都不夠理想，都存在著這樣或那 樣的不足和缺點。樁基設計的最終目的是使樁基礎能滿足上部結構在承載力和容許變形 方面的要求。樁的承載力確定的主要方法可以分為以下幾大類：靜力計算法、原位測試 法和經驗法。 靜力計算法 靜力計算法的實質是求得樁的樁端阻力和樁側摩阻力，由二者之和得到單樁的承裁 力。 原位測試法 原位測試法確定單樁的承載力最常用的方法有：靜力觸探試驗，標準貫入試驗和旁 壓試驗。 4 1 緒論 經驗法 建筑樁基技術規(guī)范中的方法【5 j 建筑樁基技術規(guī)范( j g j 9 4 - - 9 4 ) 采用以可靠性理論為基礎的概率極限狀態(tài)設計 法，以可靠度指標1 3 度量樁基的可靠度，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行 設計。 鐵路橋涵設計規(guī)范中的方法【6 】 該方法給出了極限側阻力、極限端阻力的經驗值，并以此求得極限承載力除以安全 系數(shù)得到容許承載力。極限側阻力只隨土的類別和狀態(tài)而變；極限端阻力則對于粘性土 只隨土的狀態(tài)而變，對于粗粒土除了隨密實度而變化外，還考慮了深度效應。 此外還有前蘇聯(lián)建筑法中使用的方法。 總體而言，由上述方法確定的承載力由于其經驗性很強，忽略因素比較多，故準確 性也比較低，不能隨意搬用。但因其理論和方法比較簡單，因此常用于非重要工程的設 計和初步設計。 ( 3 ) 單樁沉降法的計算方法 目前計算單樁沉降的方法主要有彈性理論法、分層總和法、剪切變形傳遞法、荷載 傳遞分析法及有限元分析法等五大類。 彈性理論法 彈性理論法把地基土看作是均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性半空間體，用彈性連續(xù) 介質理論去模擬樁基土體的荷載響應。以彈性理論為依據(jù)的各種計算沉降的方法一般都 在樁的位移與臨近土的位移之間給予了相互協(xié)調的條件，借助于軸向荷載下樁身的壓縮 求得樁的位移，又應用荷載作用于半無限體內一點所產生的m i n d i i n 位移解求得樁周土 體的位移。由于彈性理論假定樁土界面普遍滿足彈性，即界面不發(fā)生滑移這一條件， 沿界面諸相鄰點的樁的位移應與土的位移相等，由此即可解得樁身摩阻力和樁端阻力的 分布，并進而求得樁的位移分布。最具有代表性的是p o u l o u s 法的分析原理【_ 7 1 。彈性理 論法把土體看作線彈性體，用彈性模量e 。和泊松比兩個變形指標表示土的性能( 主要 是彈性模量e 。) 。但是由于取得比較精確的e 值的很困難，該方法的推廣使用受到了限 制。另外，該方法由于假定土體為線彈性體，因此，該方法適合在當樁承受的荷載不是 很大的時候。而當樁承受的荷載較大，樁土之間的相對變形比較大時，用該方法計算的 結果誤差較大。又由于該方法的計算工作量很大，在求解分層土時難度就更大，很難用 手工求解，這樣也限制了它的推廣【l 】【8 】【9 】。 分層總和法 分層總和法是根據(jù)樁端各土層的參數(shù)分別計算各層的沉降然后由各層沉降之和求 得沉降量。該方法是計算建筑物淺基礎沉降量最常用和最簡便的方法。該方法主要適用 于樁徑大，樁側摩阻力的荷載分擔比小，樁端底面積大時的沉降計算。該方法不能考慮 西安科技大學碩士學位論文 樁側的摩阻力，單樁本身的彈性壓縮產生的沉降以及樁與土間的滑移對沉降結果的影 響。 剪切變形傳遞法 剪切變形傳遞法由c o o k e 提出【l0 1 。為了簡化計算，在建立摩擦樁的荷載傳遞物理模 型時，作了如下假定：( 1 ) 當荷載水平較低時，樁在軸向荷載p 的作用下的沉降較小，樁 與土間不產生相對位移，即樁沉降時周圍土體隨之發(fā)生剪切變形，剪應力r 從樁側表面 沿徑向擴散到土體中去；( 2 ) 分析時假定樁側上下土層之間沒有相互作用；( 3 ) 摩擦樁一 般在工作荷載時，樁端承擔的荷載比例較小，沉降主要由樁側傳遞的荷載所引起。該方 法也過于簡單，忽略的影響因素較多，如地基土的成層性，土參數(shù)隨深度的變化，樁端 沉降等。 荷載傳遞分析法 荷載傳遞分析法由s e e d 和r e e s e 首先提出【1 1 1 ，后經k e z d i 【1 2 1 、佐藤悟【1 3 1 、c o y l e 和r e e s e 1 4 1 、v i j a y v e r g i g a 1 5 】等人相繼發(fā)展。我國學者潘時聲【1 6 】等人也作了大量的工作。 有限元法 有限元方法是2 0 世紀六七十年代發(fā)展起來的強有力的數(shù)值分析方法，并且隨著個 人計算機的普及和發(fā)展，它幾乎成為最為強大的數(shù)值分析方法。c l o u g h 等( 1 9 6 6 ) 首先將 有限元引入到土力學計算分析中【l 7 1 。由于其解決問題的可靠性和有效性，有限元法在樁 基工程中也得到了廣泛的推廣和應用。它可以在計算中同時考慮影響樁基礎性能的許多 因素，比如土的非線性、固結時效性以及動力性能等性質。d e s a i ( 1 9 7 4 ) 應用了二維等效 的平面應變模型來分析群樁問題【l8 1 。p o u l o s 應用軸對稱的形式分析群樁問題，并且將土 體考慮為理想彈塑性連續(xù)體【1 9 1 。c h e u n g 等( 1 9 9 1 ) 考慮了土體的彈塑性性質和分層性質來 進行單樁性狀的分析【2 0 】。陳雨孫、周e ( 1 9 8 7 ) 在樁土之間引入了節(jié)理單元以模擬樁土之 間的滑移，對純摩擦型的鉆孔灌注樁進行了有限元分析1 2 l j 。汪克讓和荊勇對樁基礎進行 了三維的彈塑性分析【2 2 j 。 總之，上述幾種方法都存在合理科學地選取樁、土參數(shù)，也即如何確定樁身的應力 應變關系，樁土接觸面的應力一應變關系，土的應力應變關系，這也是分析樁土相互作 用的關鍵所在。幾種方法各有優(yōu)缺點。彈性理論法能考慮土的連續(xù)性，在一定程度上能 考慮樁與土的相互作用，但其在理論上存在缺陷，分析樁的非線性受力特征存在困難； 剪切位移法原理簡單，基本假設合理，但在群樁分析中，未能考慮第三根樁以外樁的存 在；荷載傳遞法機理比較方便，傳遞函數(shù)曲線的測得是個難點；有限元法能考慮地基土 的不均勻性及樁與土的相對滑移、大樁引起的參與荷載影響，是分析樁的工作性能的比 較有效手段。樁與土之間的荷載傳遞形式實際上是曲線形的，將其假定為折線型傳遞函 數(shù)的目的主要是為了能夠求解出樁身荷載傳遞基本微分方程的解析解，而曲線型傳遞函 數(shù)則更符合樁與土之間的荷載傳遞特性，但無法求出閉合的解析式，需要運用數(shù)值求解 6 1 緒論 的方法。 1 2 2 凍土工程的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 寒區(qū)凍土已有1 6 0 多年的研究歷史，但直至1 9 世紀前期，凍土及其溫度場的研究 基本認為是初步探索過程。1 8 9 0 年俄國成立了凍土委員會，此后開展了較廣泛的研究。 1 9 2 7 年，前蘇聯(lián)科學家蘇姆金的蘇聯(lián)境內永久凍結土壤一書問世，標志著凍土學開 始成為一門獨立學科。1 9 2 9 年蘇聯(lián)科學院成立世界上第一個研究凍土的專門機構一多年 凍土研究常務委員會。北美、西北歐等其它國家和地區(qū)，與蘇聯(lián)一樣，主要是自然資源 的開發(fā)推動了這些國家凍土溫度場及相關學科研究的進展。上個世紀期阿拉斯加的開 發(fā)，1 9 4 2 北美戰(zhàn)備公路的嚴重凍害，開始了凍土方面理論上較全面的研究。在加拿大這 項研究的蓬勃發(fā)展也主要源于極地多年凍土區(qū)石油天然氣等資源的開采。7 0 年代后，這 些國家相繼進入研究的高潮，除自然資源開發(fā)的需要外，其主要原因之一是現(xiàn)代檢測手 段和計算技術在凍土研究中得到充分應用。 前蘇聯(lián)在1 9 世紀6 0 年代后，隨著西伯利亞的開發(fā)，鐵道的建筑，開始對凍土進行 廣泛的研究幽j 。在1 9 0 4 1 9 1 4 年間修建的阿穆爾鐵路常因凍融影響而損壞，每年要耗費 大量的資金維護，促使進一步對凍土工程地質的研究，并在后來的貝加爾一阿穆爾鐵路 干線修建中完成了大量的凍土研究工作【2 4 】。前蘇聯(lián)在凍土力學、凍土溫度狀況計算等理 論分析方面有其獨到的見解，對凍土學研究有很大的借鑒作用。 在北美，第二次世界大戰(zhàn)以前主要進行了一些與道路工程相關的季節(jié)凍土研究和在 地質勘探過程中附帶進行了多年凍土的研究。第二次大戰(zhàn)中，美國軍事部門在亞北極地 區(qū)的建設中遇到了困難，于是開始了對工程凍土學的大規(guī)模研究。1 9 6 2 年，美國陸軍部 將北極建設與凍結作用實驗和多年凍土研究所合并成立了寒區(qū)研究和工程實驗室 ( c 也l ) ，專門從事北極戰(zhàn)爭條件、房屋建筑、道路工程等研究。6 0 年代以來，北極 海洋石油大量開發(fā)，開始了北極海岸和海底多年凍土研究。1 9 7 5 1 9 9 7 年在多年凍土和 凍土環(huán)境保持問題的認真研究的基礎上，修成了貫穿阿拉斯加南北長達1 2 8 0 k m 的石油 管線。在加拿大，除國家建筑研究所以外，還有能源礦產資源部，運輸部等進行凍土工 程研究【2 5 1 。 中國對凍土現(xiàn)象早有記載【2 引，如徐霞客游記曾提及山西五臺山頂有“龍翻石”。 但我國對凍土開展系統(tǒng)的研究起步較晚直到2 0 世紀6 0 年代以后，正式開始研究僅有3 0 余年歷史。上世紀5 0 年代，余力教授開始對人工凍結鑿井溫度場進行研究。徐攸在( 1 9 6 2 ) 研究了天然細砂地基的溫度場。在此期間，主要開展室內外觀測和實驗的經驗方程計算 研究；用穩(wěn)定非穩(wěn)定一維線性問題的解析法和半解析法進行研究。直至7 0 年代后期， 才逐漸開展非線性相變溫度場的數(shù)值模擬。國內土的凍脹與建筑物凍害防治( 童長 江、管楓年等【2 7 】，1 9 8 5 ) 、凍土中水分遷移的實驗研究( 徐學租、鄧友生等【2 引，1 9 9 1 ) 、 7 西安科技大學碩士學位論文 土體凍脹和鹽脹機理( 徐學租、王家澄等【2 9 。，1 9 9 5 ) 、凍融土中的水熱輸運問題 ( 李述訓、程國棟【3 0 1 ，1 9 9 5 ) 等從不同的側面對凍土物理學的發(fā)展做出了貢獻。 國內，凍土力學的研究按研究內容分為：實驗凍土力學與應用凍土力學。吳紫汪、 馬巍在研究不同圍壓下凍土的三軸抗剪強度特性時發(fā)現(xiàn)：凍土與普通融土有相同的強度 性質，即凍土的抗剪強度隨圍壓增大而增大，但當圍壓超過某一極值時凍土弱化，這是 由于圍壓的繼續(xù)增大加速了孔隙冰的壓融，降低了凍土顆粒間聯(lián)結強度【3 l 】。朱林楠等對 凍土退化環(huán)境下的道路工程提出了嚴格保護、部分保護、不保護等四項設計原則與設計 方法【3 2 j 【3 引。李東慶在研究氣候變暖和人為因素共同作用下多年凍土退化的情況下路堤臨 界高度時，引進道路營運時間并應用了動態(tài)模擬分析計算方法【3 4 】。劉鴻緒對建筑的不同 基礎下的凍脹力進行了系統(tǒng)分析與評述【3 引。丁靖康對凍土區(qū)擋土建筑物的設計和凍脹力 計算進行了分析研究【36 。對于凍土破壞機理和蠕變機制的了解，苗天德等提出了凍土蠕 變的微結構損傷理論及通過構造凍土蠕變耗散勢提出了相應的損傷演化方程p 7 】【3 8 】。對影 響凍土力學性質的根本因素水、熱遷移的理論研究也有著各自的發(fā)展。 至今，在我國己基本形成包括普通凍土、凍土的物理力學和工程凍土的較完整的凍 土學研究體系，從定性到定量，從宏觀到微觀，從理論到實踐，進入全面發(fā)展的時期。 凍土學的研究工作為寒區(qū)工程的建設奠定了良好的基礎。 1 2 3 寒區(qū)樁基工程的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 樁基礎是應用比較廣泛的一種基礎類型，在寒區(qū)工程中也得到了廣泛的使用。在現(xiàn) 場試驗和理論分析方面，國內外的許多學者開展了大量的工作并取得了豐碩的成果。在 深季節(jié)凍結區(qū)或高含冰量多年凍土，如果建筑物在凍土敏感地基上，樁基可提供很多優(yōu) 點，樁基施工對熱動態(tài)干擾最小，可以最小程度地使結構物受到凍土凍融的影響以及免 受多年凍土退化的影響，樁能把結構物荷載傳送到結構物使用期內土支承強度保持相對 穩(wěn)定的深度【2 5 j 。 在不良地質條件如飽冰、富冰凍土，青藏鐵路設計方案之一為旱橋方案，即“以橋 代路”，來保證路基的穩(wěn)定性。其基礎通常為樁基或柱基，樁基通常又為摩擦樁，樁身 材料為混凝土【3 9 1 。多年凍土地區(qū)混凝土樁有以下三種，各有優(yōu)缺點【4 0 1 ： 鉆孔打入樁 適用于不含塊石和漂石的由粘性土、砂性土和卵礫石土所構成的塑性凍土地基。其 優(yōu)點是前期承載力較高，可以連續(xù)施工；對樁周地溫的擾動較小，回凍較快。缺點是： 需要配備打樁設備；樁的平面位置和標高不易控制，不利于拼裝化；受施工機械限制， 樁徑不大。 鉆孔插入樁 適用于各種巖性和凍土條件的地基。其優(yōu)點是：適用于各類凍土地基；施工設備較 8 1 緒論 簡單；樁位及標高容易控制，有利于承臺、梁的拼裝化；對初始溫度低的地基，能較快 回凍，連續(xù)施工。缺點是：對初始溫度較高的地基，回凍時間較長，前期承載力低，不 能連續(xù)施工；受施工機械的限制，樁徑也不大。 鉆孔灌注樁 由于低溫早強混凝土的試驗成功，使多年凍土地區(qū)采用鉆孔灌注樁成為可能。適用 于多年地溫低于5 的各類凍土中。其優(yōu)點是：承載力大；施工設備較簡單，并且能充 分利用當?shù)氐纳笆?。缺點是：對樁周地溫的擾動較大，回凍時間較長，不能連續(xù)施工。 ( 1 ) 國外對凍土中樁基的研究進展 美國陸軍部冷區(qū)研究與工程實驗室【2 5 】在費爾班克斯多年凍土區(qū)，根據(jù)工程所在環(huán)境 的特殊性，在低溫早強混凝土的試驗成功以前，在多年凍土區(qū)優(yōu)先使用鉆孔插入樁。改 變樁身的表面可提高凍結力，更好地理解凍土的流變性能有助于我們理解包括能改善預 測樁的承載力的樁的工作機理。凍土中樁周的凍結強度受樁身材料及樁身尺寸、樁的安 裝方法、回填材料、凍土的流變和加荷方法的影響。凍土的應變速率、地溫、土冰中的 混合物對樁的承載力影響最大。土的類型、地溫己給定，可調整樁的材料及其尺寸和回 填材料來優(yōu)化樁的承載力。對于以沿樁表面摩擦發(fā)揮其支承作用的摩擦樁，在多年凍土 區(qū)一年中最危險的時期通常是晚夏至初冬，那時荷載主要支承深度處的多年凍土的溫度 處在其最暖期。 。 k w b i g g a r 和d c s e g 0 1 4 1 】【4 2 】在加拿大鹽質永久凍土區(qū)進行了單樁載荷試驗， 發(fā)現(xiàn)回填材料的不同，可使得樁與回填材料相接觸界面的強度比回填材料與凍土相接觸 界面的強度大，這樣樁的承載力受回填材料與凍土相接觸界面的剪切強度所控制，承擔 荷載的表面積增大，可充分調動凍土的剪切強度，對于給定的樁，不加大樁的尺寸即可 增加樁的承載力。 俄羅斯費奧多羅維奇等【2 4 j 對西西伯利亞北部多年凍土上建筑物樁結構的改進進行 了總結，認為需要增加充填于鉆孔與樁之間空隙中砂漿的強度，使得沿樁的側面的總抗 剪強度等于沿砂漿與孔壁多年凍土接觸面的總抗剪強度，因此樁端下的壓力實際轉移到 整個面積上，地基土的強度性質完全被利用，但對這種地基土而言，樁的最大承載力已 經取決于鉆孔的大小，樁的截面不變，沿樁長度的強度相等，不可避免使樁中下部的材 料性質未被充分利用，中部不到一半，下部只達1 0 - - - 1 5 ，甚至更低。因而提出組合樁、 變截面樁、帶有橫向格柵構件的樁、上下部構件采用不同材料的樁，這些改進不僅使得 樁承載更加合理，而且降低樁的成本1 2 2 3 。 俄羅斯塔爾古良、戈爾斯特【2 4 】對貝加爾一阿穆爾鐵路干線條件下設置樁基的方法進 行了探討，認為一般采取的融土沉樁法不太適合或完全不適合多年凍土，推薦了3 種多 年凍土沉樁法并分析了其優(yōu)缺點和適用性。還介紹了一種使用蒸氣振動導管在凍土中掘 進的新方法。 9 西安科技大學碩士學位論文 v y a l o v , s s ，s l e p a k ，m e ，l u n e v , m v 1 4 3 j 介紹了試驗室和現(xiàn)場在凍土中單樁和群樁 的承載特性，表明土變形的特征受樁間距和土的性狀影響，對于大間距，群樁的承載能 力由群樁中單樁的承載力和單樁的數(shù)目所決定，對于小間距，關系是不確定的而且需要 對樁的沉降進行特殊的分析，提出了基于理論研究的單樁和群樁沉降公式，強烈表示通 過應用應變硬化蠕變理論來考慮凍土的流變特性。 此外，加拿大u n i v e r s i t yo fm a n i t o b a ( 馬尼托巴大學) 的p u s w e w a l a 等建立了凍土與 結構物相互作用的計算模型畔】。 ( 2 ) 國內對凍土中樁基的研究進展 我國從8 0 年代起，對多年凍土地區(qū)樁基礎的應用開展了大量試驗和研究工作，相 繼開展了橋涵地基土的凍脹性、樁基礎抗凍拔等課題的研究，對樁基礎與凍土之間的熱 平衡關系，垂直與水平承載力、設計計算方法、參數(shù)選擇和適用范圍進行了較為深入的 探討，并在青藏高原多年凍上地區(qū)建造了五道梁、清水河和昆侖山三個樁基礎試驗場【4 5 】。 鐵道部科學研究院西北研究所勵國良等【4 0 】在青藏高原進行了多年凍土地區(qū)樁基試 驗研究，包括鋼筋混凝土鉆孔打入樁、鉆孔插入樁、鉆孔灌注樁，探索了施工工藝、回 凍過程、適用條件及工程評價，提出了多年凍土地區(qū)樁的水平、垂直荷載試驗方法，利 用試驗中得出的實測位移、彎矩數(shù)據(jù)，采用差分并結合優(yōu)選的方法，反算出了地基系數(shù) 的分布及各種設計參數(shù)，供有關工程使用，并對試驗數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)的歸納和總結，得 出了一些很有實用價值的結論。 中國科學院蘭州冰川凍土研究所凍土工程國家重點實驗室張建明、朱元林、張家懿 【4 6 】對凍土中模型樁在動載作用下進行了沉降試驗研究，試驗結果表明，凍土中樁的沉降 過程主要是凍土在剪應力荷載作用下的流變過程。樁的沉降速度隨凍土溫度的升高而增 大，隨樁表面粗糙度的增大而減小，隨地基剛度的增大而增大等與普通土中樁承載特性 相似的規(guī)律。當凍土中含水量達到飽和時，樁的沉降速度最小，當荷載水平較高時，對 應于動載下的沉降速度小于靜載，隨著荷載水平的降低，動載與靜載對沉降速度的影響 效果逐漸接近。 哈爾濱建筑大學邱明國、李海山等一7 】對凍土中樁基破壞模式進行了模型試驗研究， 根據(jù)模型試驗得到的單樁荷載沉降曲線，對在豎向荷載作用下的凍土中的等截面豎 直樁和錐形樁的破壞模式進行了初步探討，得出了均質凍土中等截面豎直樁的荷載 沉降曲線呈陡降型，其承載力主要受凍結強度所控制，而錐形樁破壞過程緩慢，極限狀 態(tài)下呈“塑性破壞”特征的結論。 土與樁基礎相互作用的分析和計算，除了有限元數(shù)值方法外，在樁基工程中廣泛應 用的是半解析半數(shù)值的方法，豎向荷載作用下單樁與上體的相互作用的分析方法采用荷 載傳遞法、彈性理論法和剪切位移法等，橫向荷載作用下單樁與土體的相互作用采用地 基反力系數(shù)法和彈性理論法【4 8 】。 1 0 1 緒論 1 3 本問題的提出 隨著寒區(qū)工程建設的加劇，寒區(qū)樁基得到了迅速的發(fā)展，但有關寒區(qū)樁基方面的研 究甚少，大都是一些有關樁周溫度場的變化和一些工程技術措施，而有關寒區(qū)樁基承載 力和沉降特性方面的研究就更加少了。 盡管以荷載傳遞分析法為比較實用的、效果較好的方法。然而目前仍缺乏一種形式 上比較簡單但又能較好地反映樁與土實際作用的荷載傳遞模型，其工程設計方法至今仍 處于半經驗半理論的狀態(tài)。目前規(guī)范所采用的樁基承載力公式基本上是按樁周摩阻力與 樁底反力作簡單的代數(shù)迭加來建立的，不能反映出樁的沉降特性，樁的靜載試驗是確定 樁基承載力的最科學的和最廣泛被使用的一種方法，但由于它的費用昂貴，費時費工， 只限于重要的一級建筑物或有重要構件的工程中才采用，同時有時也是很不現(xiàn)實的。 對于寒區(qū)橋梁的樁基礎，除了需滿足本身的結構強度、地基土的承載能力和穩(wěn)定性 外，還需對樁基沉降量有一定的要求。凍土地區(qū)的樁基承載力與溫度是密切相關的，冬 季樁基在凍融活動層厚度范圍內受切向凍脹力而被上抬，而到夏季時，地表因凍融活動 層融化而沉陷，樁的承載力設計中是不考慮凍融活動層對樁承載的貢獻，將樁置于足夠 深的永久凍土層，這樣使樁的成本急劇增加。 同時室內試驗、現(xiàn)場實測均等表明，凍土中樁的承載特性與沉降特性明顯不同于融 土，主要表現(xiàn)在： 1 凍土中樁的承載力受地溫制約。樁周土體的物理力學性質隨溫度變化而變化，當 溫度降低時，承載力增大；當溫度升高時，承載力減小。而融區(qū)的單樁承載力隨溫度的 變化幾乎可以不考慮。 2 凍土中樁的沉降隨上部凍融活動層的溫度即融深的變化而變化。夏季樁周土體溫 度升高融化并發(fā)生融沉，土體的力學性質降低，同時樁頂?shù)某两导哟?；在冬季樁周土體 溫度降低凍結并發(fā)生凍脹，土體的力學性質增強，同時樁的沉降減少。而融區(qū)的單樁 沉降基本上不隨季節(jié)的更替而變化。 1 4 本文研究內容 本文結合我國目前工程實踐和現(xiàn)行規(guī)范，以及當前樁一土相互作用問題的研究方法 和成果，結合凍土自身的特殊性質，建立適用于寒區(qū)凍土地基中單樁的樁側摩阻力和樁 端阻力數(shù)學計算模型，通過理論推導，建立起相應的計算方法，在此基礎上提出了考慮 凍脹力的單樁豎向極限承載力的計算公式，重點研究豎向載荷作用下單樁的沉降計算方 法。 由于凍土自身的特殊性以及樁一土作用機理的復雜性，本文僅對寒區(qū)的鉆孔灌注樁 進行分析，并僅分析其在回凍充分完成后的狀態(tài)。同時運用大型有限元計算程序a n s y s 西安科技大學碩士學位論文 建立了單樁一凍土相互作用的有限元模型，考慮凍融循環(huán)情況下模擬不同凍深時單樁在 豎向外荷載的作用下的應變狀態(tài)和位移分布情況，并與本文的理論計算方法相對比分 析，來驗證本文理論計算方法的合理性。 其具體研究內容： 1 收集總結國內外關于單樁的載荷傳遞機理，單樁的破壞模式，各種豎向承載力與 沉降的計算方法，重點研究單樁沉降計算的載荷傳遞法和剪切變形法?？紤]了土的成層 性和樁周摩阻力的不均勻性，對c o o k e 的剪切變形沉降計算方法進行了有益的探討。 2 研究寒區(qū)凍土工程相對融土地區(qū)所具有的工程特殊性，并對寒區(qū)凍土凍害的機理 和作用進行了定性分析，對凍土的凍脹率進行了探討，提出一點的凍脹率。